Как киты поют свои загадочные песни?

Сухопутные млекопитающие, такие как обезьяны, обладают тонко настроенным зрением с яркой цветовой чувствительностью. Люди живут в цивилизациях, основанных на визуальном общении. Этого нельзя сказать об огромных млекопитающих морских глубин, чьи глаза-бусинки отходят на второй план по сравнению с миром звуков.

Под водой звук распространяется почти в пять раз быстрее, чем по суше. Звук — это по сути вибрация частиц, образующих волны, проходящие через воздух или воду, которые уши воспринимают как звук. Относительно большая плотность частиц в воде означает, что они находятся в более тесном контакте друг с другом, поэтому им нужно пройти меньшее расстояние, чтобы передать вибрацию от одной частицы к другой, и поэтому звуковые волны распространяются гораздо быстрее. Морские млекопитающие используют эту сферу без зрения в своих интересах.

Киты приспособились к этой особой среде, используя звук, чтобы «видеть» и общаться под водой. С тех пор как в 1967 году Военно-морской флот предоставил нам первые записанные песни китов, учёные узнали, как киты слышат такие звуки: у них есть уши, снабжённые специальным воздушным карманом; однако оставалось загадкой, как киты издают свои чарующие песни. Военно-морской флот продолжал исследования этой уникальной способности и развивал технологию гидролокаторов.

Однако теперь новое исследование изучило гортань китов, погибших после попадания на мель, и построило вычислительные модели, чтобы раскрыть тайну их голосовой анатомии.

Усатые киты самые крупные млекопитающие на Земле. К ним относятся горбатый, синий и серый киты. Исследовательскую группу, которая провела исследование, опубликованное в престижном журнале Nature, возглавляли Коэн Элеманс с биологического факультета Университета Южной Дании и Текумсех Фитч с факультета поведенческой и когнитивной биологии Венского университета.

Исследуя препарированную гортань горбатых китов, они обнаружили, что этот орган в чём-то похож на органы сухопутных млекопитающих; гортань китов сохраняет свою ключевую роль голосового органа в море. Однако есть и явные отличия. В частности, исследователи выделили механизм, отвечающий за песни китов, который состоит из нескольких частей:

У китов есть удлинённый U-образный аппарат, называемый черпаловидным. Состоящий из двух горизонтально ориентированных отрезков хряща, он служит для изменения положения голосовых связок у многих млекопитающих.

На вершине черпаловидного хряща расположена фиброзная «подушка». У китов её можно использовать либо в дыхательной позиции, чтобы продувать воздух через дыхало, либо в фонаторном (голосовом) положение, вызывающем вибрацию, создающую песню кита.

В фоническом положении воздух из лёгких захватывается в гортанный воздушный мешок, который, по их предположению, обеспечивает рециркуляцию воздуха во время пения.

Примечательно, что у китов есть особенность, отсутствующая у сухопутных млекопитающих: набор «загадочных» носовых и ротовых пробок, которые защищают дыхательные пути от воды.

Область этого механизма, где соединяются «подушка» и U-образный черпаловидный хрящ, является источником вибрации, вызывающей звук пения кита. Благодаря взрывной работе дыхательных путей кита, в подушке возникает аэродинамическая вибрация, когда она находится в фоническом положении.

В ходе дальнейших испытаний им даже удалось сопоставить частоту звука, которую будет генерировать эта анатомическая часть, с частотой звука, издаваемого горбатыми китами. Это сопоставление было достигнуто путём создания вычислительной модели гортани, которая смогла успешно имитировать эффекты воздушной вибрации и последующего звука.

«Наша модель точно предсказала результаты экспериментов, но мы также смогли рассчитать акустические характеристики, которые мы не могли измерить в лаборатории, например, частотный диапазон», — рассказал соавтор исследования Вейли Цзян из Рочестерского технологического института Университету Дании.

Сгенерированные компьютером прогнозы точно совпали с естественным вокалом — пением горбатых китов.

«Первые акустические записи песни горбатых китов, сделанные Роджером и Кэти Пейн в 1970 году, вызвали глубокий резонанс среди человечества, положили начало процветающей области морской биоакустики и вызвали глобальный интерес к усилиям по сохранению морской среды, — сказал Элеманс. — Эти записи были настолько важны тогда, что были помещены на борт космического корабля „Вояджер“».